本科畢業設計說明書（論文）第1頁共35頁1緒論工程陶瓷具有高硬度、低密度、高動態壓縮強度等特點1。陶瓷材料在機械加工成型過程中受工藝條件的限制，無法準確預留用于裝配的各種孔、槽、邊，另外在其具體應用中，因結構復雜或焊接時存在誤差等因素，本課題研究的工程陶瓷均屬于難加工材料，材料性能和加工機理相差極大，成型后加工更加困難。某些特種加工方法雖能部分地克服加工中存在的一些問題，但都有一定的適用范圍或加工缺陷，并且價格昂貴、成本高。成型后的加工缺陷往往會導致陶瓷材料的防護性能和連接強度降低，甚至會使構件報廢而造成較大的經濟損失。國外在這方面的研究起步較早，技術力量相對較強。我國對這方面的研究尚處于起步階段，現有的陶瓷材料制造技術存在制品質量的一致性和可靠性難以保證、加工表面質量差、尺寸控制困難、刀具磨損快，生產效率低等一系列問題，在一定程度上制約了材料在防護領域的推廣和應用24。本課題從加工的經濟性、實用性、易操作性著手，采用常規的加工方法進行加工。課題的研究將有助于提高難加工材料的加工水平，增強對陶瓷材料的認識、豐富學科內容，對推動高性能陶瓷材料在我國航天、航空、汽車、船舶、核工業等領域的進一步應用提供重要的技術支撐56。工程陶瓷主要有氧化鋁（Al2O3）、氧化鈹（BeO）、碳化硼（B4C）、二硼化鈦（TiB2）、碳化硅（SiC）和氮化硅（Si3N4）等78。它們的主要性能指標見表1.1。從表1.1可以看出，這些陶瓷材料都具備高強度、高硬度、高韌性、低密度的特性，即“三高一低”。B4C的密度最低、硬度最高，主要用于對質量要求極嚴格的飛行器、車輛、艦船等。如美國黑鷹式直升機乘員座椅采用了B4C和“凱芙拉”陶瓷材料。Al2O3具有燒結性能好、制品尺寸穩定、粗糙度低、價格便宜等優點，應用廣泛，將來有望用于氣墊船上。SiC的密度在B4C和Al2O3之間，比Al2O3輕20%，硬度和模量較高，價格比B4C低得多。TiB2密度較高，硬度和模量也高，用于戰車的防護面板，可防大口徑彈的侵襲。氮化硅和氮化鋁陶瓷也是性能優異的防護材料。在美國已用于裝備直升機。本科畢業設計說明書（論文）第2頁共35頁表1.1幾種常用陶瓷的性能種類密度/gcm-3維氏硬度/GPa斷裂韌性/MPam1/2彈性模量/GPa聲速Kms-1彎曲強度/MPa氧化鋁3.603.9512183.04.53004509.511.6200400氧化鋯增韌氧化鋁4.054.4015203.84.53003409.810.2350550燒結碳化硅3.103.2022233.04.040042011.011.4300340熱壓燒結碳化硅3.253.285.05.544045011.212.0600730熱壓氮化硅3.203.4516196.39.0690830熱壓碳化硼2.452.5229352.04.744046013.013.7200360二硼化鈦4.5521238.0550350熱壓二硼化鈦4.484.5122256.76.9555011.011.3270400熱壓氮化鋁3.262.53303501.1選題背景和意義工程陶瓷是以人工合成的高純度化合物為原料，經精制成形和燒結而成。與傳統陶瓷相比，工程陶瓷具有高抗壓強度、高硬度、高耐磨性、耐高溫、耐腐蝕、低密度和低的線膨脹系數、低的導熱系數等優越性能。正由于工程陶瓷具有諸多的優越性能，使得其用途越來越廣916。但陶瓷材料在常溫下對剪切應力的變形阻力很大，且硬度很高。其化學鍵具有方向性，原子堆積密度低，原子間距離大，使得陶瓷顯示出很大的脆性，而成為難加工材料。1.2工程陶瓷加工技術研究在切削機理方面，日本學者在80年代根據線形斷裂力學原理，研究了陶瓷切削過程的材料去除機理，提出了材料去處的三種模型：(1)不穩定裂紋擴展型；(2)裂紋殘留型；(3)塑性變形型。1983年，日本Kanazawa大學，K.Ueda初步探討了材料的脆性斷裂和塑性流動的關系；1991年，K.Ueda進一步用彈塑性斷裂力學和J-積分方法研究了陶瓷材料脆性/延性轉換模式。其后Frank和Lawn提出了陶瓷材料的去除機理通常為裂紋擴展和脆性斷裂，而當材料硬度降低，壓痕半徑小，摩擦劇烈，并且載荷小時就會出現塑性變形。1994年，Keio大學，R.Rentsch給出了第一磨削過程的仿本科畢業設計說明書（論文）第3頁共35頁真結果，敘述了磨削中磨削堆積的現象和切削過程仿真的區別：在陶瓷材料磨削的過程中，側向裂紋形成磨屑，導致材料的去除；徑向裂紋形成加工表面缺陷，是導致加工后陶瓷材料強度下降的主要原因。工程陶瓷的加工技術：(1)工程陶瓷的車削加工工程陶瓷的車削加工主要采用金剛石刀具或涂層刀具進行。多晶金剛石刀具難以產生光滑鋒利的切削刃，一般只用于粗加工。而工程陶瓷的精密車削需使用天然單晶金剛石刀具，采用微切削方式。但難以保證加工精度和加工質量的要求，當前主要集中于工程陶瓷車削機理及車削方法實用化的研究上。(2)工程陶瓷的鉆削加工目前工程陶瓷材料孔的加工廣泛采用金剛石套料鉆，該方法在鉆削常壓燒結氮化硅時，材料的去除率可達1600mm3/min以上。然而，由于陶瓷硬度極高，在鉆削過程中金剛石鉆頭磨損嚴重。此外，由于陶瓷的脆性大，在孔的入口和出口處崩刃現象嚴重，影響了孔的加工質量。也有利用金剛石砂輪磨削內孔以及金剛石刀具刮孔，但只適用于陶瓷工件上已有預置孔的情況。目前機械加工方法僅限于數毫米左右直徑的孔加工，尚難獲得理想的經濟效果和表面加工質量。(3)工程陶瓷的磨削加工1719在陶瓷材料的磨削工藝方面，國內外在在線電解修整金剛石砂輪的精密磨削、低表面粉燥度磨削和高效磨削方面取得了較大的成果。(4)工程陶瓷的特種加工20(a)工程陶瓷材料的電火花加工21電火花加工主要是通過電極間放電產生高溫熔化和汽化蝕除材料，適合于超硬導電材料的加工。目前對導電陶瓷的電加工研究集中在如何提高加工精度、表面質量以及改進加工過程控制等方面。利用高壓電火花加工方法也可以加工非導電陶瓷材料，其原理是在兩電極間放入絕緣的陶瓷材料工件，兩電極間加以直流或交流高電壓，使電極附近的介質被擊穿，發生輝光放電蝕除。另外一種加工非導電陶瓷材料的方法，是在薄片工件上壓放一塊薄金屬網作為輔助電極，輔助電極和工具電極與脈沖電源放在油類工作液中，利用脈沖電壓使得兩電極間產生火花放電來進行加工。(b)工程陶瓷材料的超聲波加工22本科畢業設計說明書（論文）第4頁共35頁硬脆材料用超聲波加工是目前應用較普遍的方法之一，甚至能加工型腔和特殊輪廓的孔。但此種加工方法只適合于加工直徑為幾毫米的小孔，加工直徑較大的孔時效率很低且加工成本過高。(c)工程陶瓷材料的激光加工激光加工與材料的硬度等力學性能無關，陶瓷與金屬比較，對激光的吸收率較高。現用于工程陶瓷加工的主要有CO2激光和YAG激光。由于激光加工時，光束瞬間輻射，在材料表面產生局部高溫，形成很大的溫度梯度，因此加工后會產生一定應力變形和不同程度的微裂紋。目前有關工程陶瓷加工技術的研究大多集中在平面及回轉曲面的磨削加工方面，對成型孔、開槽等加工的研究還很少。對金剛石刀具加工工程陶瓷的加工機理、刀具磨損、加工質量、加工效率等也沒有進行系統深入的研究。而據統計，工程陶瓷的加工成本占到整個陶瓷元件成本的8090，高加工成本以及難以控制的加工表面質量缺陷限制了其更為廣泛的應用。因此，開發高效率、高質量以及低成本的陶瓷加工技術具有重要的技術和經濟意義。2工程陶瓷的性能特點及加工機理2.1工程陶瓷的性能特點本課題研究的工程陶瓷是99瓷，其主要成分為99.5的23AlO。它具有高抗壓強度、高硬度、高耐磨性、耐高溫、耐腐蝕、低密度、低線膨脹系數及低導熱系數等優越性能。但由于該材料硬度高、脆性大，其二次成型加工十分困難，特別是制孔加工，效率低，刀具磨損快，孔的加工質量差等問題23。因此工程陶